Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 10, № 1 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-1

Средства измерений

7-13 332
Аннотация

Смесь аргона и паров ртути с зависящим от температуры составом используется в качестве рабочего газа в различных типах газоразрядных осветительных ламп. Целью данной работы являлось построение модели слаботочного разряда в смеси аргон-ртуть при наличии на катоде тонкой диэлектрической пленки, а также определение ее влияния на напряжение зажигания разряда при низкой температуре окружающей среды.

При моделировании разряда мы использовали полученное ранее выражение, описывающее зависимость ионизационного коэффициента рассматриваемой смеси от температуры. В случае наличия на катоде тонкой диэлектрической пленки в модели учитывали, что в разряде на ее поверхности накапливаются положительные заряды. Они создают в пленке электрическое поле, достаточное для возникновения полевой эмиссии электронов из металлической подложки электрода в диэлектрик, часть из которых может преодолевать потенциальный барьер на внешней границе пленки и выходить в разрядный объем, улучшая эмиссионные характеристики катода.

Расчеты показали, что при снижении температуры происходит увеличение напряженности электрического поля в разрядном промежутке и напряжения на нем, обусловленное уменьшением концентрации насыщенных паров ртути в смеси, а следовательно, и ее ионизационного коэффициента. Наличие же тонкой диэлектрической пленки на поверхности катода может приводить, вследствие существования полевой эмиссии электронов в пленку, к увеличению эффективного коэффициента электронной эмиссии катода, компенсирующему снижение величины ионизационного коэффициента.

Представленные результаты моделирования характеристик разряда демонстрируют, что в случае катода с диэлектрической пленкой становится возможным возникновение разряда при более низком межэлектродном напряжении. Это обеспечивает зажигание лампы наружного освещения при меньшем напряжении питающей сети и повышает ее надежность в условиях низких температур.

14-22 293
Аннотация

Поиск новых кристаллических матриц для применения в лазерах, излучающих в условно безопасном для глаз спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм, является актуальной задачей. Целью данной работы являлось изучение технологии роста, спектроскопических свойств и генерационных характеристик новых активных сред – кристаллов Er3+,Yb3+:Ca2RE2(BO3)4  (RE=Y, Gd).

В качестве исследуемых образцов использовались кристаллы кальций-иттриевого Er3+,Yb3+:Ca3Y2(BO3)4 (CYB) и кальций-гадолиниевого Er3+,Yb3+: Ca2 Gd 2(BO3)(CGB) оксоборатов, соактивированных ионами эрбия и иттербия. В результате определены спектры поперечных сечений поглощения и стимулированного испускания в поляризованном свете. Определены времена жизни энергетических уровней 4I11/2 и 4I13/2 иона эрбия, а также проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттебрия к ионам эрбия. Выполнен расчет спектров поперечных сечений усиления. Впервые с использованием кристаллов реализована лазерная генерация, изучены генерационные характеристики в квазинепрерывном режиме генерации.

В спектрах поглощения для обоих кристаллов наблюдается полоса с пиком на длине волны 976 нм, что согласуется с длиной волны испускания лазерных диодов, применяемых для накачки активных элементов с ионами Yb3+ . Наибольшее значение поперечного сечения поглощения для обоих кристаллов составило 1,7×10–20 см2 для поляризации E // b на длине волны 976 нм. Время жизни верхнего лазерного уровня 4I13/2 составило 580 ± 30 мкс и 550 ± 30 мкс для кристаллов Er,Yb:CYB и Er,Yb:CGB соответственно. Эффективность переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия составила 94 % для кристалла Er,Yb:CYB и 96 % для Er,Yb:CGB. Расчет спектра усиления для кристалла Er,Yb:CYB, показал что максимум полосы усиления находится на длине волны 1530 нм. Максимальное значение выходной мощности в квазинепрерывном режиме генерации составило 0,5 Вт при дифференциальной эффективности по поглощенной мощности накачки 13 % для кристалла Er,Yb:CYB, параметр распространения лазерного пучка М2 не превышал 1,5.

На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что данные кристаллы являются перспективными активными средами для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм, для применения в составе систем лазерной дальнометрии, лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии и лидаров.

23-31 251
Аннотация

Широкое применение криогенных топлив в аэрокосмической промышленности обуславливает необходимость дополнительной теплоизоляции топливных баков летательных аппаратов. При этом на теплоизолирующем слое в процессе эксплуатации может возникнуть статический заряд, что при утечке топлива может привести к взрыву. Для исключения подобных ситуаций на теплоизоляцию наносится антистатическое токопроводящее покрытие. Целью работы являлась разработка устройства дистанционного контроля токопроводящего покрытия топливных баков летательных аппаратов, позволяющего оперативно находить и маркировать поврежденные участки.

Разработанная методика заключается в изменении электрической емкости между токопроводящим покрытием контролируемого объекта и сканирующим электродом. Она позволяет определять опасные с точки зрения искрообразования замкнутые по форме дефекты. Сформированы основные технические требования к устройству, а также обозначен требуемый минимальный размер контролируемого дефекта. Рассмотрены конструктивные особенности, необходимые для реализации устройства. Разработана структурная схема, на основе которой создан экспериментальный стенд емкостного контроля, основанный на мостовом методе измерений.

Представлены результаты конечно-разностного расчета электрического поля в структуре емкостного датчика при наличии дефекта, получена зависимость емкости датчика от его смещения над дефектным участком. Полученные экспериментальные данные подтвердили данные теоретических расчетов и корректность математической модели с точностью не хуже 5 %, абсолютная погрешность фиксации дефекта составляет ± 2 мм при скорости сканирования 0,02 м/с. Показано, что суммарная погрешность фиксации координат дефекта при различных положениях датчика воздушного зазора, температуры и скорости сканирования лежит в диапазоне 1,5–6,5 мм. Представленные в статье материалы позволяют повысить безопасность полетов за счет снижения вероятности искрообразования.

32-41 241
Аннотация

В последнее время в мировой практике аэрокосмического мониторинга Земли наблюдается все более активное внедрение методов и средств гиперспектральной съемки. Таким образом, создание систем, предназначенных для регистрации гиперспектральных данных и методов их обработки, является актуальной задачей дистанционного зондирования Земли. Целью работы являлась разработка и создание маломассогабаритного спутникового модульного гиперспектрометра видимого и ближнего инфракрасного диапазона, предназначенного для получения информации дистанционного зондирования Земли с целью постоянного обновления данных о состоянии природной среды и объектов инфраструктуры видеоспектральными методами с возможностью комплексного изучения как спектральных, так и пространственных характеристик наблюдаемых объектов.

Представлен маломассогабаритный бортовой модульный гиперспектрометр. К отличительным особенностям аппаратуры относятся высокое спектральное разрешение и малые габариты. Гиперспектрометр включает в себя два основных модуля: оптический модуль и модуль электроники. Особенностью конструкции оптического модуля является использование в полихроматоре вогнутой голографической дифракционной решетки. Модуль электроники построен на основе одноплатного компьютера. Представлено их описание и конструктивные особенности. Приведена схема формирования гиперкуба и программное обеспечение для его дальнейшей обработки. Представлено разработанное техническое обеспечение (контрольно-поверочная аппаратура, имитатор космического эксперимента и система пространственного сканирования) для проверки работоспособности, а также проведены тестовые съемки.

Стоит отметить чрезвычайно малые габариты для такого класса устройств по сравнению с аналогами, а также виброустойчивость аппаратуры.

42-52 253
Аннотация

Одним из основных условий безопасной эксплуатации магистральных газопроводов является использование неразрушающих методов контроля, что особенно актуально при решении задач ранней оперативной диагностики материала труб. Цель работы – разработка методик акустической оценки напряженно-деформированного состояния, упругих модулей и анизотропии свойств материала трубопровода и исследование этих характеристик в вырезках магистральных трубопроводов с использованием прибора на основе бесконтактных электромагнитно-акустических преобразователей.

Методики реализуются с использованием структуроскопа СЭМА и бесконтактных преобразователей. В качестве объекта исследований использованы вырезки магистральных газопроводов с кольцевыми сварными швами, с коррозионным растрескиванием под напряжением и без видимых повреждений. Методика определения плоского напряженно-деформированного состояния элементов трубопровода основана на явлении акустоупругости. Методика определения упругих характеристик материалов и анизотропии их свойств основана на связи скоростей ультразвуковых волн с упругими свойствами среды. Методики реализуются за счет прозвучивания образца с использованием продольной волны и двух сдвиговых волн с взаимно перпендикулярными поляризациями, совпадающими с главными напряжениями.

Показано, что распределение напряженного состояния является неравномерным, что обусловлено особенностями образцов. Анизотропия свойств большинства образцов находится в диапазоне 12–14 % по модулю сдвига, 9–10 % по модулю Юнга, 13–15 % по коэффициенту Пуассона. Для образцов с коррозионным растрескиванием под напряжением наблюдается резкое уменьшение коэффициента анизотропии, что позволяет использовать указанные характеристики в качестве информативных параметров при выявлении коррозионного растрескивания под напряжением.

Особенностью предложенных методик является высокая точность, обусловленная отсутствием необходимости определения плотности материала и прецизионного измерения его толщины, погрешность измерения которых известными методами значительна.

Методы измерений, контроля, диагностики

53-60 258
Аннотация

Обеспечение ресурса теплообменного оборудования водоохлаждаемых реакторных установок при случайных пульсациях температуры является важной научно-технической задачей атомной энергетики. Наиболее опасны термопульсации, вызываемые смешением потоков рабочих сред при высоких градиентах температуры. Целью работы являлось экспериментальное исследование температурного и напряженно-деформированного состояний трубного образца при воздействии локальных термопульсаций, обусловленных смешением потоков теплоносителя.

Для решения поставленных задач изготовлен тройниковый узел типа «встречный впрыск», включенный в состав теплофизического исследовательского стенда. Конструкция узла позволяет проводить исследования теплогидравлических и ресурсных характеристик трубных образцов 60 × 5 мм, изготовленных из сталей аустенитного класса. Разработаны средства измерения температурного, напряженно-деформированного состояний трубного образца и температурного поля потока теплоносителя в зоне смешения однофазных сред с различной температурой. Измерительные модели оснащены микротермопарами и тензорезисторами. В результате исследований получены массивы экспериментальных данных, содержащих реализации термопульсаций, осредненные во времени профили температуры потока и наружной поверхности трубного образца, статистические и спектрально-корреляционные характеристики термопульсаций. По результатам измерения относительных деформаций определены значения усталостных напряжений.

Разработаны устройства и методики исследования. Установлены комбинации режимных параметров, обеспечивающих термосиловое нагружение поверхности металла с наиболее высоким уровнем амплитуд переменных напряжений. Полученные данные используются для верифицирования метода оценки усталостной долговечности конструкционных материалов реакторных установок при случайных термопульсациях.

61-68 256
Аннотация

Наноструктуры на основе графеновых лент являются перспективными материалами для использования в качестве эмиттеров электронов.

Цель работы – исследовать автоэлектронную эмиссию электронов из торца одиночной графеновой плоскости.

В квазиклассическом приближении разработана модель автоэлектронной эмиссии из торца прямоугольного графенового листа.

Рассчитана плотность тока автоэлектронной эмиссии в вакуум из торца плоского графенового листа в зависимости от величины напряженности тянущего электрического поля.

Проведен анализ и сравнение предельных токов эмиссии из графена и из объемных систем. Результаты работы могут быть использованы при разработке
69-79 203
Аннотация

Распространение импульсного сигнала поверхностной волны по объекту с неоднородным поверхностным слоем, полученным, например, в результате поверхностного упрочнения, структурной поврежденностью, сопровождается дисперсией скорости волны, несущей важную информацию о параметрах такого слоя. Цель работы заключалась в изучении взаимосвязи между акустическими параметрами импульсного акустического сигнала поверхностной и подповерхностной волн и поверхностного слоя стальных образцов, упрочненных закалкой токами высокой частоты (ТВЧ), и серого чугуна, упрочненного отбелом.

Проведен краткий анализ известных работ по определению глубины упрочненных поверхностных слоев различными методами, включая ТВЧ закалку, цементацию и др. На основе интегрального выражения Оулдера. выполнен расчет зависимости, связывающей скорость волны, ее частоту, глубину упрочненного слоя и пространственное распределения твердости, представляемой в виде ступеньки с изменяющимся наклоном ее боковой поверхности, моделирующей переходную зону упрочненного слоя.

Импульсным методом с использованием малоапертурных преобразователей частотой 1–3,8 МГц получены зависимости скорости поверхностной волны от высоты среза упрочненного ТВЧ закалкой слоя. Проведенное сравнение данных эксперимента и расчетов теоретической модели показало хорошее качественное соответствие между ними, высокую «чувствительность» метода по отношению к характеру изменения твердости по глубине упрочненного слоя. Показана перспективность предложенного подхода для решения обратной задачи восстановления пространственного распределения твердости на основе данных эксперимента.

На стальных образцах и образцах серого чугуна апробирован метод гониометра для определения глубины упрочненного слоя по данным угла, соответствующего минимуму амплитуды отраженной волны или максимуму амплитуды возбуждаемой в образце поверхностной моды. Показано, что с увеличением толщины упрочненного ТВЧ закалкой слоя этот угол уменьшается на 24–26', а глубина отбеленного чугуна на ≈ 6°. Даны рекомендации по использованию результатов исследований на практике.

80-89 377
Аннотация

При измерении маломощных оптических сигналов приемные модули систем должны обеспечивать достаточно высокую достоверность принятых данных. В этой связи целесообразно использовать счетчики фотонов, которые являются высокочувствительными, однако характеризуются ошибками регистрации данных. Цель работы – оценка влияния средней скорости счета импульсов на выходе счетчика фотонов на достоверность принятой информации с учетом мертвого времени счетчика фотонов.

На основании статистических распределений числа импульсов на выходе счетчика фотонов получено выражение для оценки достоверности принятых двоичных данных при их регистрации в волоконно-оптическом канале связи.

Установлено, что с ростом средней скорости счета сигнальных импульсов на выходе счетчика фотонов при передаче символов «0» ns0 достоверность принятых данных вначале практически не изменяется и близка к единице, однако затем спадает. Причем при прочих равных параметрах с увеличением средней длительности мертвого времени продлевающегося типа τd спад этой зависимости наблюдается при больших значениях ns0: при ns0 ≥ 66,6·103 с-1 для τd = 0; при ns0 ≥ 74,1·103 с-1 для τd = 5 мкс; при ns0 ≥ 83,5·103 с-1 для τd = 10 мкс; при ns0 ≥ 95,6·103 с-1 для τd = 15 мкс.

90-98 210
Аннотация

Магнитный контроль механических свойств сталей основан на их корреляционных связях с магнитными параметрами. Целью данной работы являлось установление зависимости достижимого коэффициента корреляции Rmax между результатами измерения и истинными значениями параметра от приведенной погрешности его измерения.

В статье предложена модель корреляционного поля между истинными значениями параметра и результатами его измерения с заданной приведенной погрешностью δ. Обоснованы достоинства и правомерность использования модели для оценки достижимого коэффициента корреляции Rmax. Проведен анализ влияния δ измерения параметра в разных диапазонах d его изменения на Rmax. Результаты сопоставлены с проведенным ранее анализом для относительной погрешности измерения.

Установлено, что коэффициент Rmax, рассчитанный для приведенной погрешности измерения, всегда меньше Rmax, рассчитанного для относительной погрешности измерения. Но в практически важном диапазоне изменения d при δ ≤ 0,05 разница между величинами Rmax, рассчитанными для приведенной и относительной погрешностей измерения, не велика. Это позволяет использовать разработанную формулу для зависимости Rmax = Rmax (δ, d) при Rmax ≥ 0,8 как для относительной, так и для приведенной погрешностей измерения.

Полученный результат позволяет без измерений, по приведенной погрешности измерения метрологически аттестованного средства измерения, определить максимально достижимый коэффициент корреляции между истинными значениями и результатами измерения параметра в известном диапазоне его изменения. В качестве примера установлены условия использования для неразрушающего контроля сталей результатов измерения магнитных параметров установкой, аттестованной по приведенной погрешности измерения.

Методы оценки качества объектов и процессов

98-110 188
Аннотация

Идентифицирована проблема обеспечения достоверности результатов измерений характеристик качества как субъективных величин и их корректного применения в логико-математических моделях принятия решений. Целью данной работы являлось повышение достоверности экспертного оценивания единичных характеристик качества процессов, продукции, систем.

Рассмотрены основные методологические подходы к субъективным измерениям, представленным классической, операциональной и репрезентативной теориями измерений. Наиболее приемлемой для целей обеспечения достоверности экспертного оценивания единичных характеристик качества определена репрезентативная теория, предполагающая, что измерить субъективную величину можно только в номинальной или порядковой шкалах. Установлено противоречие: возможности измерения единичных характеристик качества в порядковой шкале не соответствуют потребностям специалистов в области качества, использующих субъективные измерения для решения задач анализа и принятия решений, требующих применения логико-математических моделей; оценки должны быть выражены минимум в шкале интервалов. Обосновано наилучшее решение данной проблемы в использовании шкалы рейтингов, обладающей свойствами как порядковой, так и интервальной шкал.

В рамках проекта развития экспертных методов измерения качества сформулированы два фундаментальных элемента методологии субъективных измерений субъективных величин с позиций репрезентативной теории: 1) шкала рейтингов как модифицированная шкала рангов, 2) метод организации процесса измерения как метод альтернативного оценивания предпочтений эксперта.

Представлена аксиоматика шкалы рейтингов, обладающей свойствами как порядковой, так и интервальной шкал. Предложен алгоритм реализации метода альтернативного оценивания предпочтений эксперта, в основу которого положен специальный двухэтапный план альтернативного опроса эксперта и статистический критерий устойчивости предпочтений. В совокупности методология субъективных измерений субъективных величин обеспечивает корректность формирования шкалы рейтингов и преобразования значений характеристик качества в виде рейтингов в соответствующие значения величин, выраженных как минимум в шкале интервалов.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)